JP4679467B2 - 信号受信システム及び信号受信方法 - Google Patents

Description

この発明は、複数のセンサにより受信された混合信号から所望の信号を抽出する信号受信システム及び信号受信方法に関する。

アレイ状に配置したセンサで信号（例えば電波や音波）を受信する場合、ビーム形成法（ＤＢＦ：Digital Beam Forming）が一般的に使用される。また、混信波を低減するためには、適応的ＮＵＬＬ形成アルゴリズム（例えば、ＤＣＭＰ：Directionally Constrained Minimization of Power）が使用される。この適応的ＮＵＬＬ形成アルゴリズムは、比較的混信波の強度が所望信号のレベルより強く、かつ信号対雑音比が大きい場合に効果が得られやすいことが知られている（例えば、非特許文献１を参照。）。

しかしながら、上記適応的ＮＵＬＬ形成アルゴリズムは、センサ数よりも多い数の外来雑音が到来し、所望信号の信号対雑音比が例えば１０ｄＢ以下と低く、かつ混信波の強度が所望波より低い場合には、かえって通常のビーム形成（ＤＢＦ）より信号対雑音比が劣化するという問題があった。また、ＤＢＦや適応的ＮＵＬＬ形成アルゴリズムにおいてはステアリングベクトル（アンテナパターンデータ）を必要とするが、そのデータが実際との誤差を含む場合には通常のビーム形成よりも適応的ＮＵＬＬ形成出力の信号対雑音比が劣化する問題があった。ただし、所望波と混信波の強度や到来方位の関係によっては、適応的ＮＵＬＬ形成アルゴリズムを用いた方が信号対雑音比が良くなる場合もあり、どちらか一方を選択する方式においては必ずしも最適な状態にならない問題点があった。

また、ＤＢＦにおいては、センサの配置によってはサイドローブが存在し、混信波がそのサイドローブの方向から到来する場合は出力が劣化する問題があった。

一方、信号品質を評価する手段として、信号の周波数スペクトラムを用いる手法がある。しかしながら、この手法では、信号対雑音比が低い場合や混信がある場合には、所望波とそれ以外との区別が困難なため、正しく計測できないという問題があった。
菊間信良著、「アダプティブアンテナ技術」、オーム社、平成１５年１０月１０日発行 特開２００５−３１１６０２公報

上述したように、従来の信号受信システムでは、所望波の信号対雑音比が比較的低くかつ所望波と同程度かそれ以下の強度の混信波が存在する場合に、信号対雑音比が劣化し、所望波を効率良く受信できない場合があった。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、信号強度が弱くかつ混信がある状態でも、信号対雑音比を向上させ、所望波を最適な状態で受信可能な信号受信システム及び信号受信方法を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明に係わる信号受信システムは、到来する信号を互いに独立して観測する複数のセンサと、複数のセンサの観測信号をそれぞれ周期的にサンプリングするサンプリング手段と、前記複数のセンサのアンテナパターンを表すステアリングベクトルを記憶する記憶手段と、前記信号の到来する方向を指定する方向指定手段と、前記指定された方向に前記ステアリングベクトルに基づいてビームを形成するビーム形成手段と、前記指定された方向以外からの信号を抑圧する混信波抑圧手段と、前記ビーム形成手段により出力される波形データを時間軸方向で分割して複数の独立した信号とみなして第１の等価的な信号対雑音比を演算する第１の演算手段と、前記混信波抑圧手段により出力される波形データを時間軸方向で分割して複数の独立した信号とみなして第２の等価的な信号対雑音比を演算する第２の演算手段と、前記第１の等価的な信号対雑音比と、前記第２の等価的な信号対雑音比との比較に基づいて、前記ビーム形成手段による出力信号または前記混信波抑圧手段による出力信号のいずれかを選択して出力する選択手段とを具備することを特徴とする。

また、この発明に係わる信号受信方法は、複数のセンサにより互いに独立して観測された信号から所望の信号を受信する信号受信システムに用いられる信号受信方法であって、複数のセンサの観測信号をそれぞれ周期的にサンプリングし、前記複数のセンサのアンテナパターンを表すステアリングベクトルを記憶し、前記信号の到来する方向を指定し、前記指定された方向に前記ステアリングベクトルに基づいてビームを形成し、前記指定された方向以外からの信号を抑圧し、前記ビーム形成手段により出力される波形データを時間軸方向で分割して複数の独立した信号とみなして第１の等価的な信号対雑音比を演算し、前記混信波抑圧手段により出力される波形データを時間軸方向で分割して複数の独立した信号とみなして第２の等価的な信号対雑音比を演算し、前記第１の等価的な信号対雑音比と、前記第２の等価的な信号対雑音比との比較に基づいて、前記ビーム形成手段による出力信号または前記混信波抑圧手段による出力信号のいずれかを選択して出力することを特徴とする。

上記構成では、ビーム形成法と、混信波抑圧法の両方のアルゴリズムを同時に演算し、両方のアルゴリズムから出力される波形データを時間軸方向で分割して複数の独立した信号とみなして等価的な信号対雑音比をそれぞれ演算する。そして、演算されたそれぞれの等価的な信号対雑音比を比較することにより、ビーム形成法による出力信号または混信波抑圧法による出力信号のいずれかを選択して出力する。このようにすることで、所望波の信号対雑音比が比較的低くかつ所望波と同程度かそれ以下の強度の混信波が存在する場合において最良の信号対雑音比の出力で受信可能となる。また、信号対雑音比の計測において信号強度が弱くかつ混信がある場合でも正しく比較が可能となる。

したがってこの発明によれば、信号強度が弱くかつ混信がある状態でも、信号対雑音比を向上させることができ、所望波を最適な状態で受信することのできる信号受信システム及び信号受信方法を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、この発明に係わる信号受信システムの一実施形態を示すブロック構成図である。
図１において、センサ１−１〜１−ｎは、アンテナやマイクロホン等で構成される。センサ１−１〜１−ｎは、アレイ状に配列され、到来する信号を互いに独立して観測するもので、各センサ１−１〜１−ｎが同時に到来する複数の信号を受信する。各センサ１−１〜１−ｎで受信された観測信号は、それぞれサンプリング部１０に供給される。サンプリング部１０は、信号周波数帯に応じたＡＤ（Analog to Digital）変換器で構成され、各センサ１−１〜１−ｎから入力された観測信号を所定のサンプリング周期でサンプリングする。サンプリングされた各センサ１−１〜１−ｎの観測信号はビーム形成部２２及び混信波抑圧部２３に供給される。

ステアリングベクトル記憶部２１には、メモリ等の記憶媒体を用いられ、アンテナパターンデータが記憶される。方向指定部は、操作者により設定された所望波の到来方向をビーム形成部２２及び混信波抑圧部２３に供給する。

ビーム形成部２２は、方向指定部２４により指定された方向に、センサ１−１〜１−ｎからの観測信号に対して、ステアリングベクトルから求まる各センサの位相分布に基づいて位相を変化させ全センサの加算を行い、波形を出力する。

混信波抑圧部２３は、混信波の到来方向にヌルを形成することで、方向指定部２４により指定された方向以外からの信号をステアリングベクトルに基づいて抑圧する。例えば、適応的ＮＵＬＬ形成アルゴリズム（例：ＤＣＭＰ）や、特許文献１に挙げるようなブラインド分離アルゴリズムを用いる。

等価的信号対雑音比演算部３１，３２は、ビーム形成部２２及び混信波抑圧部２３から得られる出力波形それぞれに対して、信号対雑音比とみなすことができる等価的信号対雑音比を演算する。例えば、図２に示す構成を用いる。

信号対雑音比比較及び出力信号選択部４０は、等価的信号対雑音比演算部３１，３２からそれぞれ得られる等価的な信号対雑音比の値を比較することにより出力信号を選択し、選択された波形データを受信信号として出力する。

図２は、等価的信号対雑音比演算部３１の処理手順とその内容を示す図である。尚、等価的信号対雑音比演算部３２は演算部３１と同構成であり、その処理手順とその内容は図２に示す通りである。図２において、等価的信号対雑音比演算部３１は、ビーム形成部２２又は混信波抑圧部２３からの出力波形が入力されると（ステップＳ２１）、入力波形を時間軸上でｍ分割する（ステップＳ２２）。ｍの値の決め方は、受信する帯域幅内に同時に存在する可能性がある最大の信号数＋１とする。次に、ｍ分割した波形をそれぞれ独立した信号とみなし、信号相互の共分散行列（ｍ×ｍ行列）を生成する（ステップＳ２３）。

さらに、この共分散行列に対して固有値解析を行い、ｍ個の固有値を求める（ステップＳ２４）。そして、求められたｍ個の固有値の最大値（最大固有値）とこの最大固有値以外の固有値の合計値との比を算出し（ステップＳ２５）、この値を等価的な信号対雑音比として出力する（ステップＳ２６）。なお、ここでの雑音には混信波を含んでいる。

ＤＢＦや適応的ＮＵＬＬ形成出力において、混信波が混入している場合は、最大固有値以外にも比較的大きな数値が存在し、混信波が分離されていない状態と判断できる。よって、等価的な信号対雑音比が小さくなる。一方、混信波が十分に低減された状態においては、最大固有値以外の固有値の値は小さくなり、この等価的な信号対雑音比の値は大きくなる。このように、信号対雑音比の大小が比較可能となる。

図３は、ＤＢＦのビームパターンを示す図である。図３では、所望波（１波）に対して混信波（１波）が存在する場合の例を示している。

図３（ａ）は、混信波の到来方位がビームパターンの外側に来る状況を示す。この場合、所望波の信号対雑音比が低い状況でかつステアリングベクトルに誤差を含む場合においては、適応的ＮＵＬＬ形成アルゴリズムよりもＤＢＦによる出力の方が信号対雑音比を確保しやすい。なお、ここでの信号対雑音比の「雑音」には混信波の電力も含むものとする。

一方、図３（ｂ）は、混信波の到来方位がビームパターンの内側に入り込み、分離できない状況を示す。この場合は、所望波の信号対雑音比が低い状況でかつステアリングベクトルに誤差を含む場合であっても適応的ＮＵＬＬ形成アルゴリズムによる出力の方が信号対雑音比を確保しやすい。なお、適応的ＮＵＬＬ形成アルゴリズムは、図４に示すように、所望波の到来する方向にメインローブを向けると同時に、混信波に対してヌルを向けて混信波からの出力の寄与を最小化するものである。

実際の受信環境においては、図３（ａ）や図３（ｂ）の状況が時間的に変化しどちらか一方のアルゴリズムを用いただけでは最適な信号対雑音比を得ることができない。また、信号対雑音比の評価においては、受信信号の周波数スペクトラムを用いる手法では所望信号と雑音の区別および所望信号と混信波の区別が困難であり正しい評価ができない。

これに対し、上記実施形態では、ビーム形成法と、混信波抑圧法の両方のアルゴリズムを同時に演算し、両方のアルゴリズムから出力される波形データをもとに等価的な信号対雑音比をそれぞれ演算する。そして、演算されたそれぞれの等価的な信号対雑音比を比較することにより、ビーム形成法による出力信号と混信波抑圧法による出力信号のいずれかを選択して出力する。

したがって上記実施形態では、所望波の信号対雑音比が比較的低くかつ所望波と同程度かそれ以下の強度の混信波が存在する場合においても、最良の信号対雑音比で受信することが可能となる。また、信号対雑音比の計測において信号強度が弱くかつ混信がある場合でも正しく比較が可能となる。

尚、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

この発明に係わる信号受信システムの一実施形態を示すブロック構成図。 図１のシステムで用いられる等価的信号帯雑音比の算出処理の手順とその内容を示す図。 図１に示すビーム形成部におけるＤＢＦのビームパターンを示す図。 図１に示す混信波抑圧部の適応的ＮＵＬＬ形成におけるビームパターンを示す図。

符号の説明

１−１〜１−ｎ…センサ、１０…サンプリング部、２１…ステアリングベクトル記憶部、２２…ビーム形成部、２３…混信波抑圧部、２４…方向指定部、３１，３２…等価的信号対雑音比演算部、４０…信号対雑音比比較および出力信号選択部。

Claims (4)

1. 到来する信号を互いに独立して観測する複数のセンサと、
   前記複数のセンサの観測信号をそれぞれ周期的にサンプリングするサンプリング手段と、
   前記複数のセンサのアンテナパターンを表すステアリングベクトルを記憶する記憶手段と、
   前記信号の到来を観測する方向を指定する方向指定手段と、
   前記サンプリング手段で周期的に得られる前記複数のセンサの観測信号について、前記方向指定手段で指定された方向に前記ステアリングベクトルに基づいてビームを形成するビーム形成手段と、
   前記サンプリング手段で周期的に得られる前記複数のセンサの観測信号について、前記指定された方向以外から到来する信号を抑圧する混信波抑圧手段と、
   前記ビーム形成手段から出力される信号の波形データを時間軸方向で分割して複数の独立した信号とみなして第１の等価的な信号対雑音比を演算する第１の演算手段と、
   前記混信波抑圧手段から出力される信号の波形データを時間軸方向で分割して複数の独立した信号とみなして第２の等価的な信号対雑音比を演算する第２の演算手段と、
   前記第１の等価的な信号対雑音比と前記第２の等価的な信号対雑音比とを比較し、その比較結果に基づいて前記ビーム形成手段の出力信号及び前記混信波抑圧手段の出力信号のいずれかを選択して受信信号として出力する選択手段と
   を具備することを特徴とする信号受信システム。
2. 前記第１の演算手段及び第２の演算手段それぞれは、
   前記複数の独立した信号の波形データ間の相関を表す共分散行列を生成する行列生成手段と、
   前記行列生成手段で生成された共分散行列から前記波形データの分割数の固有値を演算する固有値演算手段と、
   前記固有値演算手段で得られた分割数の固有値のうちの最大固有値を最大固有値以外の固有値の合計値で除算して前記等価的な信号対雑音比を算出する比率算出手段と
   を具備することを特徴とする請求項１記載の信号受信システム。
3. 複数のセンサにより互いに独立して観測された信号から所望の信号を受信する信号受信システムに用いられる信号受信方法であって、
   前記複数のセンサの観測信号をそれぞれ周期的にサンプリングし、
   前記複数のセンサのアンテナパターンを表すステアリングベクトルを記憶し、
   前記信号の到来を観測する方向を指定し、
   前記サンプリングによって周期的に得られる前記複数のセンサの観測信号について、前記指定された方向に前記ステアリングベクトルに基づいてビームを形成し、
   前記サンプリングによって周期的に得られる前記複数のセンサの観測信号について、前記指定された方向以外からの混信波を抑圧し、
   前記ビーム形成により得られる波形データを時間軸方向で分割して複数の独立した信号とみなして第１の等価的な信号対雑音比を演算し、
   前記混信波抑圧により得られる波形データ時間軸方向で分割して複数の独立した信号とみなして第２の等価的な信号対雑音比を演算し、
   前記第１の等価的な信号対雑音比と前記第２の等価的な信号対雑音比とを比較し、その比較結果に基づいて、前記ビーム形成による出力信号及び前記混信波抑圧による出力信号のいずれかを選択して受信信号として出力することを特徴する特徴とする信号受信方法。
4. 前記等価的な信号対雑音比の演算は、
   前記複数の独立した信号の波形データ間の相関を表す共分散行列を生成し、
   前記共分散行列から前記波形データの分割数の固有値を演算し、
   前記波形データの分割数の固有値のうちの最大固有値を最大固有値以外の固有値の合計値で除算して前記等価的な信号対雑音比を算出することを特徴とする請求項３記載の信号受信方法。

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